大瑞鐵路瀾滄江特大橋施工監(jiān)控與分析

金正凱,徐升橋

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

拱橋作為跨越深V峽谷地帶的常用橋型，在山區(qū)橋梁建設(shè)中有著不可替代的地位。大跨徑混凝土拱橋普遍采用勁性骨架施工法，該方法突破了地形條件的限制，且能夠減少施工設(shè)備的用鋼量。以鋼管混凝土作為勁性骨架能夠獲取較大剛度，節(jié)省用鋼量，內(nèi)填混凝土強(qiáng)度得以提高，外包混凝土除參與截面受力，提高結(jié)構(gòu)整體剛度外，還能解決鋼管的銹蝕問(wèn)題。勁性骨架混凝土拱橋結(jié)構(gòu)整體性好、拱軸線(xiàn)易于控制，諸多優(yōu)點(diǎn)使該橋型備受青睞。轉(zhuǎn)體施工法也是拱橋常用的施工方法，可分為豎向轉(zhuǎn)體、平面轉(zhuǎn)體及平豎結(jié)合轉(zhuǎn)體3種，轉(zhuǎn)體前利用地形或簡(jiǎn)單支架進(jìn)行現(xiàn)澆或預(yù)制拼裝，轉(zhuǎn)體就位后合龍成拱，該方法具有變復(fù)雜為簡(jiǎn)單、減少水上高空作業(yè)、結(jié)構(gòu)受力安全可靠、施工設(shè)備少、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)[1-6]。

大跨徑混凝土拱橋施工過(guò)程中，在空中澆筑混凝土的工序較多、時(shí)間較長(zhǎng)，質(zhì)量控制較難；拱橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)，轉(zhuǎn)體過(guò)程控制及合龍精度對(duì)成拱狀態(tài)至關(guān)重要。20世紀(jì)50年代以來(lái)，橋梁施工控制理論得到長(zhǎng)足發(fā)展，在斜拉橋、懸索橋、拱橋、剛構(gòu)橋等各種類(lèi)型的大跨度橋梁中得到應(yīng)用。瀾滄江特大橋主跨為大跨度勁性骨架鋼筋混凝土拱橋，鋼管勁性骨架于兩岸拼裝完成后，采用二次豎轉(zhuǎn)的施工方法進(jìn)行合龍，該施工方法在世界范圍內(nèi)尚屬首次[7-10]。開(kāi)展施工監(jiān)控工作對(duì)瀾滄江特大橋施工過(guò)程中的線(xiàn)形、受力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤控制，能夠有效地控制合龍精度，糾正施工過(guò)程中的偏差，保障橋梁結(jié)構(gòu)安全，使施工成橋狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)較好地吻合。

2 工程概況

2.1 橋型布置

瀾滄江特大橋?yàn)榇笕痂F路跨越瀾滄江的重要工程，連接大理、保山兩岸，全長(zhǎng)528.1 m，主跨為上承式勁性骨架鋼筋混凝土提籃拱橋，計(jì)算跨徑342 m。主拱兩邊各有A、B、C、D四個(gè)拱上立柱，立柱上為4×32 m連續(xù)梁，拱頂102 m范圍內(nèi)為π形梁，兩岸引橋采用32 m和24 m簡(jiǎn)支梁。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 全橋立面布置(單位：m)

2.2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路等級(jí)：Ⅰ級(jí)干線(xiàn)鐵路。

線(xiàn)路情況：有砟，雙線(xiàn)，直線(xiàn)，線(xiàn)間距4.4 m。

設(shè)計(jì)速度：160 km/h。

設(shè)計(jì)活載：中-活載。

設(shè)計(jì)使用年限：主體結(jié)構(gòu)按100年使用年限設(shè)計(jì)。

2.3 結(jié)構(gòu)形式及主要參數(shù)

瀾滄江特大橋主拱跨度342 m，矢高82.416 m，矢跨比為1/4.15，拱軸線(xiàn)為拱軸系數(shù)m=3.4的懸鏈線(xiàn)。全橋共兩條拱肋，各內(nèi)傾6.8°形成提籃拱，每條拱肋均采用單箱單室混凝土箱形截面，拱腳處箱形截面徑向高10.9 m，拱頂處截面高為6.9 m。拱肋內(nèi)包鋼管混凝土勁性骨架；勁性骨架為四管式桁架，拱腳處桁架高9.5 m，拱頂高5.5 m，上、下弦管的鋼管外徑為1.0 m[11]。主拱結(jié)構(gòu)如圖2所示，拱肋截面如圖3所示。

圖2 主拱結(jié)構(gòu)(單位：m)

圖3 拱肋截面(單位：m)

2.4 施工過(guò)程

主體結(jié)構(gòu)主要施工過(guò)程如下。

(1)施工兩岸基礎(chǔ)、橋墩、橋臺(tái)、拱座。

(2)安裝岸上拱肋預(yù)拼平臺(tái)，依附拱肋預(yù)拼平臺(tái)及山體完成拱肋勁性骨架、轉(zhuǎn)鉸等鋼結(jié)構(gòu)的拼裝，通過(guò)二次豎轉(zhuǎn)的施工方法完成勁性骨架合龍。

(3)施工勁性骨架鋼管內(nèi)填混凝土。

(4)施工拱肋外包混凝土及拱肋橫撐。拱肋外包混凝土采用“四環(huán)多工作面”方法對(duì)稱(chēng)澆筑，最先澆筑拱腳實(shí)體段，四環(huán)順序?yàn)榈装搴拖碌菇恰掳雮?cè)腹板→上半側(cè)腹板→頂板和上倒角，各環(huán)間混凝土均間隔一個(gè)齡期，每環(huán)混凝土縱向再細(xì)分成“多工作面”。拱肋內(nèi)橫隔板分為上下兩半，下半部分與相鄰的拱肋下半側(cè)腹板同時(shí)澆筑，上半部分與相鄰的上半側(cè)腹板同時(shí)澆筑。拱肋橫撐外包混凝土在拱肋外包混凝土完成之后澆筑，分為上下兩部分，分兩次澆筑。

(5)對(duì)稱(chēng)施工拱上A、B、C、D立柱。

(6)施工兩岸簡(jiǎn)支箱梁、拱頂范圍π形梁，對(duì)稱(chēng)施工拱上兩聯(lián)4×32 m連續(xù)箱梁。

3 監(jiān)控方案

橋梁施工過(guò)程中存在許多影響施工狀態(tài)及成橋狀態(tài)的因素，如材料參數(shù)、環(huán)境因素、施工誤差等。對(duì)于大跨度橋梁，施工過(guò)程較長(zhǎng)、工藝復(fù)雜，為確保施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)安全，并且使大橋施工成橋時(shí)的線(xiàn)形、受力狀態(tài)盡可能地與設(shè)計(jì)狀態(tài)吻合，必須對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。線(xiàn)形監(jiān)控是對(duì)施工過(guò)程中大橋各階段的變形、高程等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)各種因素造成的線(xiàn)形誤差進(jìn)行及時(shí)糾偏，使成橋線(xiàn)形、高程等滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)力監(jiān)控能夠掌握大橋施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，從而保證施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)安全可靠[12-17]。瀾滄江特大橋勁性骨架二次豎轉(zhuǎn)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)形監(jiān)控，控制合龍精度；合龍后，對(duì)后續(xù)各施工階段均進(jìn)行線(xiàn)形及應(yīng)力兩方面監(jiān)控，重點(diǎn)關(guān)注主拱的狀態(tài)。

3.1 線(xiàn)形監(jiān)控

主拱為主要受力結(jié)構(gòu)，鋼管勁性骨架于設(shè)計(jì)階段考慮預(yù)拱度，給出不計(jì)豎拼自重作用時(shí)的放樣坐標(biāo)，預(yù)拱度按臥置拱度設(shè)置。結(jié)合兩岸地形及拼裝臺(tái)座設(shè)置情況，計(jì)算得出一次豎轉(zhuǎn)階段，大理側(cè)上拱肋豎轉(zhuǎn)65°，瑞麗側(cè)上拱肋豎轉(zhuǎn)62°，二次豎轉(zhuǎn)階段，大理側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)26°，瑞麗側(cè)拱肋豎轉(zhuǎn)30°。對(duì)兩側(cè)拱肋中間鉸處合龍段及跨中合龍段長(zhǎng)度進(jìn)行精準(zhǔn)放樣，合龍段安裝亦可作為合龍精度校核的手段。圖4為大理側(cè)拱肋完成一次豎轉(zhuǎn)。

圖4 大理側(cè)拱肋一次豎轉(zhuǎn)完成

于拱腳、跨中及跨度的各個(gè)1/8節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)合龍階段及后續(xù)拱肋成形階段的測(cè)點(diǎn)高程，每個(gè)測(cè)點(diǎn)處，上下游外側(cè)上弦鋼管頂面各設(shè)置一處定位控制點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 線(xiàn)形監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置(單位：m)

3.2 應(yīng)力監(jiān)控

對(duì)主拱勁性骨架進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)控。應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面如圖6所示，監(jiān)測(cè)截面表貼傳感器。拱腳及跨中截面處，兩拱肋各鋼管頂部均設(shè)測(cè)點(diǎn)；其他監(jiān)測(cè)截面處，兩拱肋僅外側(cè)上下弦鋼管頂面設(shè)置測(cè)點(diǎn)。

圖6 應(yīng)力監(jiān)控監(jiān)測(cè)截面分布

4 計(jì)算模型

采用Midas Civil建立主橋三維模型，模擬勁性骨架合龍至成橋的各施工階段，模型如圖7所示。拱肋外包混凝土及拱肋橫撐混凝土采用板單元模擬，不同時(shí)澆筑的部分劃分為不同的單元，其余部位采用梁?jiǎn)卧M。勁性骨架及其內(nèi)填混凝土采用鋼管混凝土組合截面模擬[18-21]。施工主拱混凝土的過(guò)程，都分為激活濕重、形成剛度兩個(gè)階段考慮，僅激活濕重未形成剛度階段通過(guò)調(diào)整混凝土材料的彈性模量輸入值實(shí)現(xiàn)。

圖7 主橋三維模型

5 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析

將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與三維模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析各施工階段結(jié)構(gòu)線(xiàn)形是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求、結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)是否安全，以便及時(shí)糾偏、調(diào)整后續(xù)構(gòu)件施工時(shí)的立模高程。主拱作為主要受力構(gòu)件，其合龍過(guò)程及澆筑成形的每個(gè)步驟的跟蹤監(jiān)控都尤為重要，保證主拱的施工質(zhì)量使其安全可靠，將為后續(xù)拱上立柱、拱頂π形梁、4×32 m連續(xù)梁的施工安全提供保障。

5.1 線(xiàn)形監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析

對(duì)拱肋勁性骨架合龍、鋼管內(nèi)填混凝土、每環(huán)每段拱肋外包混凝土澆筑、拱上建筑施工等各階段進(jìn)行線(xiàn)形監(jiān)控，監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)高程，并得出各測(cè)點(diǎn)在各階段的變形，與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，保證線(xiàn)形的同時(shí)可掌握結(jié)構(gòu)剛度、整體受力狀態(tài)是否安全。表1為鋼管勁性骨架合龍時(shí)各定位控制點(diǎn)的高程實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值對(duì)比，由結(jié)果可知，二次豎轉(zhuǎn)過(guò)程線(xiàn)形控制較好，合龍精度較高。

表1 勁性骨架合龍階段高程 m

表2為外包混凝土完成階段上、下游拱肋定位控制點(diǎn)高程實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比。圖8～圖10所示分別為內(nèi)填混凝土完成階段、外包混凝土第二環(huán)完成階段、外包混凝土第四環(huán)完成階段的撓度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比，各階段撓度為相對(duì)于勁性骨架合龍時(shí)的累計(jì)撓度值。由結(jié)果可知，各階段主拱各測(cè)點(diǎn)撓度與理論計(jì)算值相差不大，主拱施工線(xiàn)形較好，且具有足夠的剛度。

表2 外包混凝土完成階段高程 m

圖8 內(nèi)填混凝土完成階段撓度

圖9 外包混凝土第二環(huán)完成階段撓度

5.2 應(yīng)力監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析

將應(yīng)力監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)是否與計(jì)算規(guī)律相符，應(yīng)力值是否在允許的安全范圍內(nèi)。表3、表4分別選取外包混凝土第二環(huán)完成階段、外包混凝土全部完成階段各監(jiān)測(cè)截面外側(cè)上弦鋼管頂部測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)比分析可知，瀾滄江特大橋主拱受力狀態(tài)與理論計(jì)算規(guī)律基本符合，應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)。

表3 外包混凝土第二環(huán)完成典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)力 MPa

表4 外包混凝土全部完成典型測(cè)點(diǎn)應(yīng)力 MPa

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)瀾滄江特大橋主橋進(jìn)行線(xiàn)形和應(yīng)力兩方面的施工監(jiān)控。線(xiàn)形監(jiān)控監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)高程，進(jìn)而得出各施工階段的結(jié)構(gòu)變形，從而指導(dǎo)施工過(guò)程中的線(xiàn)形控制，掌握結(jié)構(gòu)剛度是否滿(mǎn)足整體受力需求。應(yīng)力監(jiān)控監(jiān)測(cè)各階段結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，以確保應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)。

主拱作為主要受力構(gòu)件，其成形過(guò)程的施工監(jiān)控尤為重要，是確保后續(xù)施工工作安全開(kāi)展的關(guān)鍵。瀾滄江特大橋鋼管勁性骨架合龍時(shí)各定位控制點(diǎn)的高程與理論計(jì)算值基本吻合，二次豎轉(zhuǎn)合龍精度較高。鋼管內(nèi)填混凝土、外包混凝土等主拱成形階段，線(xiàn)形監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)撓度與理論計(jì)算值相差不大，主拱施工線(xiàn)形較好，且具有足夠的剛度。應(yīng)力監(jiān)控各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與理論計(jì)算規(guī)律基本符合，應(yīng)力值在安全范圍內(nèi)。

大瑞鐵路瀾滄江特大橋創(chuàng)造性地采用二次豎轉(zhuǎn)的施工方法，施工過(guò)程中存在多處合龍段，鋼管勁性骨架設(shè)置預(yù)拱度，制造和安裝的精度要求均較高，因而也為豎轉(zhuǎn)、合龍過(guò)程中的線(xiàn)形監(jiān)控提出了更高的要求，帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)。拱肋外包混凝土施工步驟較多，主拱成形過(guò)程漫長(zhǎng)，對(duì)其線(xiàn)形及應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)控尤為重要，直接關(guān)系到后續(xù)拱上結(jié)構(gòu)施工的安全和質(zhì)量。大橋主體工程已于2020年6月完工。隨著橋梁工程逐步向大跨度方向發(fā)展、國(guó)內(nèi)鐵路網(wǎng)日漸密集，作為一座大跨度的上承式勁性骨架鋼筋混凝土提籃拱橋，瀾滄江特大橋的施工監(jiān)控工作及相關(guān)分析研究，將為同類(lèi)型的鐵路橋梁提供有益參考。